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知识汇总系列!数据通信基础(4)

知识汇总系列!数据通信基础(4)

三.信号数字化
当代计算机系统基本上都是采用莱布尼兹二进制,信号只有经过离散数字化(即我们通常提及的模数转换)才能交由计算机系统做分析处理。
1.采样
在一定条件下,一个连续时间信号完全可以用该信号在等时间间隔点上的值或样本来表示,并且可以依据这些样本值把该信号完全恢复出来。把时域或空域的连续量转化成离散量的过程成为采样(sampling),也称抽样或取样。例如电影就是由一组帧组成,其中每一帧代表着连续变化景象中的一个瞬时画面(也即时间样本)。
采样的重要性在于它在连续时间信号和离散时间信号之间所起的桥梁作用,它提供了一种用离散时间序列来表示连续时间信号的理论基础。在使用时域的波形表示数字信号时,代表不同离散数值的基本波形称为码元。使用二进制编码时,只有两种不同的码元,一种代表0状态,另一种代表1状态。
2.信号采样
多个信号在T的整数倍数时刻点上,它们可能有完全相同的值,即x1(kT)= x2(kT)= x3(kT)。很明显,无限多个信号都可以产生一组给定的样本值。例如,当电影帧率不足24fps(即一秒钟拍摄的镜头不足24个)时,播放时将不流畅。帧间突变不能较好的复现原始影像,使观众感觉失真。从采样的角度分析就是欠采样,两帧之间缺失太多信息,以至于过度不平滑,让观众遐想无限。
如果一个信号是带限的(即它的傅里叶变换在某一有限频带范围以外均为零),并且它的样本取得足够密(相对于信号中的最高频率而言),那么这些样本值就能唯一地用来表征这一信号,并且能从这些样本中把信号完全恢复出来。1928年,美国电气工程师奈奎斯特研究发现,若要使原波形不产生“半波损失”,采样频率至少应为信号最高频率的两倍,这就是著名的奈奎斯特采样定理。奈奎斯特采样定理阐述了采样频率与信号频谱之间的关系,是连续信号离散化的基础。
美国、日本用的是NTSC制式,NTSC制式早期使用了60帧隔行的方法,即每60分之一秒内播放半帧画面,后期进入数字电视时代后改为30帧逐行的方式,即每1/30秒播放一幅画面。我国的电视标准用的是PAL制式,采用了50帧隔行或25帧逐行的显示方式。
家用固定电话的语音信号所占频率范围是300~3400Hz,取最高4kHz。根据采样定理,需要8kHz的采样频率,相当于采样周期T=125us。连续的电话信号经采样后成为每秒8000个离散脉冲信号,其振幅对应于采样时刻电话信号的数值。假定用8位二进制数(256状态)对每个采样点进行数字化编码,则数据速率为8bit*8000Hz=64kbit/s。这个速率便是最早制定出的话音编码的标准速率,数字电话调制解调速率一般为56kbps左右。
3.信号重建
从信号的样本来重建信号涉及到内插技术。内插也就是用一连续信号对一组样本值的拟合,是常用的由样本值来重建某一函数的过程。简单的内插包括零阶保持和线性内插,在更为复杂的内插方法中,样本点之间可以采用高阶多项式或其他的数学函数来拟合,这一过程属于数学建模的范畴。
四.数据编码
1.编码与译码
编码是指把需要加工处理的数据库信息,用特写的数字来表示的一种技术,是根据一定数据结构和目标的定性特征,将数据转换为代码或编码字符,在数据传输中表示数据组成,并作为传送、接受和处理的一组规则和约定。编码通常是一种较多输入经量化变成较少输出(码组)的过程。
译码或解码是编码的逆过程,同时去掉比特流在传播过程中混入的噪声。利用译码表把文字译成一组组数码或用译码表将代表某一项信息的一系列信号译成文字的过程称之为译码。译码通常是一种较少输入变为较多输出的过程,一般分为2n译码和8421BCD码译码两类。
摩尔斯电报码是一种时通时断的信号代码,通过不同的排列顺序来表达不同的英文字母、数字和标点符号。摩尔斯电码是一种早期的数字化通信形式,但是它不同于现代只使用零和一两种状态的二进制代码,它的代码包括五种:点,划,每个字符间短的停顿,每个词之间中等的停顿,以及句子之间长的停顿。美标ASCII码是一种规定了用从0到127的128个数字来代表信息的规范编码,电脑中的一个字符用一个八位数的二进制数字即可表示:log2128=8。
2.调制与解调
来自源的信号常称为基带信号,即基本频带信号。计算机输出的代表各种媒体的数据信号都属于基带信号。基带信号往往包含有较多的低频成分,甚至有直流成分,而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题,就必须对基带信号进行调制(modulation)。
调制可分为两大类。一类是仅仅对基带信号的波形进行变换,使它能够与信道特性相适应,这类调制称为基带调制,变换后的信号仍然是基带信号。另一类则需要使用载波(carrier)进行调制,把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号(即仅在一段频率范围内能够通过信道),而使用载波的调制称为带通调制。
接收一串数据位,并根据这些位串调制载波的硬件称为调制器(modulator),有的场合也称作合成器(synthesizer);而接收载波并恢复调制在载波上的数据的各二进制位的硬件称为解调器(demodulator),有的场合也称作分离器(splitter);。在全双工通信中,任何一端既需要发送调制也需要接收解调,因此往往合二为一为一个调制解调器(modem)。
调制是一种信号嵌入合成技术;解调是调制的逆过程,对调制信号进行分离提取。
3.数字数据的数字信号编码
基带信号将数字信号1或0直接用两种不同的电压(跳变)来表示,然后送到线路上去传输,这种传输方式相应称为基带传输。基带传输涉及到数字数据的数字信号编码。
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